基于5G通信的铁路车载大数据车地传输方案研究

柴金川

机车和动车组作为铁路主要的装备,安装了大量传感器,实现对制动、绝缘、防火、列车供电、走行部、视频等状态的监测,从而保障其安全运行,为列车寿命评估和故障预测奠定基础。为了实现上述功能,需要车地设备间进行大量的数据通信及分析。检测车上安装了大量的检测设备,对轨道、路基、接触网、信号等专业基础设施进行检测,并产生大量的检测数据。目前,少部分车载实时监测信息可通过GPRS传输至地面信息系统,但绝大多数业务数据的传输仍依靠WLAN［1］甚至人工下载方式,既不能保证实时性,又对检修组织造成干扰,还需要消耗大量的人力和时间。因此,铁路急需研究如何利用新一代移动通信技术实现车地数据传输的数字化和智能化发展。

5G通信技术除可实现人与人通信外,还增强了人与物、物与物的互联,可支持增强型移动宽带（eMBB）、海量机器类通信（mMTC）和超高可靠低时延通信（uRLLC）三大应用场景。世界各国纷纷提出5G技术试验和商用计划,我国更是将5G通信作为新基建之首。目前,国内外都已开始进行5G通信在铁路领域中的应用研究和试验。欧洲铁路研究了基于5G技术的列控系统（Europe Train Control System,ETCS）,并开展了200 km/h以下的列控系统试验；韩国在其专用轨道测试线上开展了基于5G技术的列车自动控制系统的试验；日本采用28 GHz频谱完成了4K监控视频传输测试；我国在部分车站和线路实施了公网5G覆盖工程,在几个典型站场开展了毫米波点对点大容量数据传输应用,并正在环行铁道试验基地搭建铁路5G-R专网试验环境,准备开展相关试验。

结合我国铁路领域公网5G、专网5G-R和5G毫米波通信发展趋势,并基于铁路列车数据特点、车地通信场景,以及5G通信技术优势,本文研究并提出了利用专网5G-R承载少量实时安全数据、利用公网5G承载一部分实时非安全数据、利用5G毫米波承载大量非实时数据的的高效率、高可靠性、低成本的车地数据传输技术方案,为铁路智能化、数字化发展以及安全、高效运营提供技术支撑。

1 车载大数据车地传输场景

1.1 列车车载大数据

列车车载大数据主要包括行车应用数据、车载设备设施检测监测数据、运输服务数据等。其中:行车应用数据主要包括调度命令信息、无线车次号信息、列控信息、列车自动驾驶（ATO）信息、列车安全防护预警信息、列车接近预警信息、机车同步操控信息、列尾信息等；车载设备设施检测监测数据主要包括列控车载设备动态监测系统（DMS）信息、电务车载通信设备动态监测（RMS）信息、机车信号远程监控信息、动车组司机操控信息分析系统（EOAS）信息、机车远程监测与诊断（CMD）信息、供电安全监测检测系统（6C）信息、动车组车载信息无线传送系统（WTDS）信息、客车运行安全监控系统（TCDS）信息、基础设施动态综合检测信息、基础设施健康管理系统信息等；运输服务数据主要包括客运乘务管理信息、旅客列车视频监控信息、在途和货场货运信息等［1−3］。

无线车次号信息、列控信息等行车应用数据通常为小数据量、可靠性和实时性要求高的数据。车载设备设施检测监测数据和运输服务数据为大量不同类型且通信要求不同的数据。其中,运营中的机车每个交路一般产生30 GB以上的6 A视频监控数据；动车组各类系统每小时累计产生至少10 GB数据；检测列车平均每月产生达170 GB的列车、接触网、工务、电务各专业基础设施检测数据。随着铁路智能化、数字化运维的发展,车载各类数据仍在不断增加。

铁路车载大数据种类繁杂,既有速度、里程、位置等连续型数据,又有空调、车门信息等离散型数据；维度多,既有列控信息、无线车次号信息等实时数据,又有故障记录和历史统计等非实时性数据；可靠性要求不一,既有调度命令等安全性数据,又有乘务管理信息等非安全性数据；数据量不等,既有列控数据动态监测等小容量数据,又有视频监控等大容量数据［3］。本文根据数据特征将车载大数据分为4类:实时安全车地传输数据、实时非安全车地传输数据、非实时安全车地传输数据和非实时非安全车地传输数据。其中,非实时传输数据占据较大比例。

1.2 铁路车地通信场景

车载大数据车地通信以上行通信为主,即车载通信模块向地面基站发送数据量大于地面基站向车载通信模块发送数据量。铁路车地通信场景主要分为两大类:铁路正线高速运行、铁路站场低速运行或静止［4］。

铁路正线高速运行场景包括正线线路区间和高速通过车站场景。无线小区覆盖采用沿铁路线的线状覆盖方式,列车高速移动,车地通信信号强度和载干比周期性变化,并伴随着较大的多普勒频偏和频繁的小区重选,无线小区内用户较少。该场景下,无线通信条件恶劣,丢包、重传、时延较严重,因此大大降低了数据有效传输速率。铁路正线及车站车地通信场景示意见图1。

图1 铁路正线及车站通信场景示意

铁路站场车地通信场景包括铁路车站（列车通过车站除外）、机务段、动车所等区域。无线小区覆盖大部分采用面状覆盖,列车运行速度一般较低或处于停止状态,无线小区内用户较多。该场景下,无线通信条件优良,传输速率较接近理论值。铁路机务段、动车所等站场通信场景示意见图2。

图2 铁路机务段、动车所等站场通信场景示意

2 铁路5G通信无线传输特性

5G通信包括6 GHz以下的中频段和毫米波高频段等各类频谱频段通信制式。中国移动采用2.6 GHz和4.9 GHz 2个频段,共计250 MHz频率带宽；中国电信和中国联通分别采用3.4 GHz和3.5 GHz频段,各占100 MHz频率带宽,均属于6 GHz以下的中频段通信制式。中国广电700 MHz频段5G应用还处于探索阶段,本文暂不考虑其在铁路车地传输应用中的研究。鉴于铁路区间为无线小区线状覆盖和列车高速移动的通信场景,铁路专网5G-R也将选择6 GHz以下的中频段通信制式。我国高频频段5G毫米波频段通信制式研究和应用已逐步趋于成熟,通常用于短距离大容量通信场景,作为6 GHz以下的中频段通信的补充。结合5G通信发展应用趋势及铁路应用场景需求,主要介绍公网5G通信、铁路专网5G-R通信和5G毫米波通信的无线传输特性。

2.1 公网5G通信和铁路专网5G-R通信的无线传输特性

公网5G通信和铁路专网5G-R通信的主体系统架构基本相同,均可实现无线连续无缝覆盖并满足用户移动条件下的不间断通信,二者差异主要集中在用户侧和应用侧,见图3［5−6］。

图3 公网5G通信和铁路专网5G-R通信主体系统架构

运营商公网5G采用TDD模式专用频段和蜂窝同步组网方式,电磁环境纯净,系统干扰易协调。由于基站发射干扰基站接收,且发送数据具有拖尾效应,因此TDD系统要考虑基站之间的干扰。动态TDD时隙会导致严重干扰,而自包含时隙需考虑TDD的拖尾效应的保护时间,也会降低空口容量。因此,为适应铁路大数据传输的场景,公网3.5 GHz频段的子帧配比暂时考虑为DDDSU（上/下行子帧按照配比1∶4配置）,见图4［7−8］。车载大数据车地传输主要为上行通信场景。为满足铁路列车移动状态下的通信要求,车载通信模块通常以MIMO2流为主,最大调制编码阶数设定为64QAM。当带宽为100 MHz且TDD上行链路占比为1/5时,上行单用户链路速率为180 Mbps。假设运营商可提供10%的上行资源专用于铁路车地传输,则100 MHz带宽单运营商下,动车组可采用的最高理论速率为18 Mbps。列车同时使用多家运营商传输数据时,可有效提高无线传输速率［9］。

图4 5G无线帧结构及时隙配比

铁路专网5G-R通信正在申报专用频率,与公网5G频谱相近且无线传输特性类似,但频谱资源远少于运营商频谱资源,未来主要用于承载列控、ATO、调度通信等最高可靠、最低时延要求的安全运营业务,将以牺牲有效传输速率为代价,保障通信的低时延和可靠性［10］。因此,铁路专网5G-R的有效传输速率也将远小于公网5G的有效传输速率,可承载的数据量也将远远小于公网。

2.2 5G毫米波通信无线传输特性

5G毫米波通信是5G技术在高频频段的应用,即5G技术在30～300 GHz毫米波波段的通信。无线通信中,频段越高,可用频谱带宽越大。根据香浓公式（见式1）,信道最大传输速率与频谱带宽成正比,可知毫米波高频频段无线传输速率会比6 GHz以下的中频段传输速率更快。

式中:C为信道容量；B为频谱带宽；S/N为信道信噪比。

另外,天线的长短是由中心工作频率的大小决定的,中心工作频率与天线尺寸大小成反比关系,因此,频率越高,天线尺寸越小,则有限面积内可布局的天线阵列越多,传输的数据流越多（见式2）,传输速率越高［11］。通常,在低频段（1 GHz以下）,最高可采用8发8收的天线阵列；中频段（1～6 GHz）最高可采用64发64收的天线阵列；在高频毫米波频段,可支持更多数量的天线阵列。大规模多入多出天线阵列,可增加同时传输的数据流数,提高信道传输速率。

式中:min(n1,n2)为接收和发送天线最小传输数据流数值；x为多天线增加的数据量。

尽管无线频率越高,传输速率越快,但也将面临电磁波自由空间传播损耗越大（见式3）、有氧衰耗和穿透损耗越大、电磁波衍射绕射能力越弱、多普勒频偏越明显（见式4）、视距传播距离越近、适用的空间通信距离越短等问题。

式中:f为电磁波频率(MHz)；Lbf为电磁波自由空间传播损耗(dB)；d为传播距离(km)；fs为实时多普勒频偏；fd为最大多普勒频偏；c为电磁波传播速率；v为电磁波收、发相对移动速率；θt为电磁波收、发方向和相对移动方向之间的夹角。

目前国内外已开展了不同频段5G毫米波的研究和应用,其覆盖距离和传输速率也各有特点,传输速率均远大于6 GHz以下的中频段传输速率；且随着频段增高,传输速率越大,有效通信距离越短［12−14］。我国在满足相关技术要求的情况下,可免申请频段59～64 GHz,远离常用民用频点,在特定区域内具有干扰小、大带宽、可支持1～3 Gbps传输速率等优点,成为大数据、短距离、无线快速传输的较佳选择［15−16］。华为Air flash毫米波技术采用59～64 GHz频段,并在我国部分铁路机车和深圳地铁中进行了验证和应用,可满足300 m内低速移动或静止场景下点对点1.5 Gbps的上行传输速率。5G毫米波速率远远大于公、专网5G通信系统速率,可用于承载铁路大数据的快速传输。

3 车载大数据车地传输整体方案

未来铁路5G-R作为专用无线通信网络,将无缝覆盖铁路线路,有效保障铁路数据的安全性和实时性；可用于承载调度通信、列控数据、ATO数据以及少量其他列车运行安全数据；但无法实现列车产生的其他各类大量数据的实时传输。

运营商掌握了大量的5G频率资源,铁路可充分利用公网5G网络带宽优势承载大数据车地传输。虽然公网5G上行传输速率理论可达每秒百兆,但在列车高速移动场景下,上行有效传输速率将大幅下降；公网5G除承载车载大数据车地传输外,还需要承载其他各类公、专网用户业务；公网5G无法完全保证无缝覆盖所有铁路线路,且具有一定的开放性,无法全封闭式传输铁路数据。因此,公网5G无法完全保障列车数据安全、可靠、实时传输至铁路内部网络,最终至铁路应用系统,即公网5G无法承载铁路实时性极高、保密性较强的数据。

5G毫米波通信覆盖距离较短,若铁路全线覆盖则耗费巨大；且铁路正线列车高速移动环境下会产生较强的多普勒效应,导致无线传输性能大大降低［17−18］。因此,短时间内不适宜采用全线铺设5G毫米波承载列车大数据实时传输,但可以在站场设置5G毫米波通信,并接入铁路专用网络,实现列车进出站和停站过程中大量数据的快速传输。

结合列车车载大数据车地传输场景和5G高/低频无线传输特征,本文提出利用铁路专网5G-R通信沿铁路连续组网,并承载少量列车实时安全数据传输；利用公网5G通信沿铁路连续组网,并承载少部分列车实时非安全数据传输；利用站场5G毫米波通信独立组网,承载列车大量非实时安全和非安全数据点对点快速传输（见图5）,形成列车车载大数据车地综合传输方案,见图6。

图5 站场设置独立组网5G毫米波通信系统

图6 车载大数据车地综合传输方案

4 结论

在充分分析铁路车载大数据特征及车地通信场景的基础上,结合公网5G、铁路专网5G-R和5G毫米波通信特点,提出了融合公网5G、铁路专网5G-R,以及毫米波通信技术的车载大数据车地传输技术方案。该方案既考虑了铁路运维特征,又能够充分发挥5G通信技术特点,以最高效率和最低成本,满足我国铁路数字化、智能化运维模式下的车地数据传输安全和快速传输需求。未来随着5G通信技术的不断发展和成熟,车载大数据车地传输方案也将不断优化和完善。